不同鉀鹽對(duì)穿龍薯蕷幼苗生長與部分產(chǎn)物合成的影響

柳昱旻，高潤梅，王秀麗，劉翔，石曉東

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷 030801)

穿龍薯蕷(Dioscoreanipponica)為薯蕷科(Dioscoreaceae)薯蕷屬(Dioscorea)多年生草質(zhì)纏繞藤本，在我國主要分布于山西、陜西、東北等地區(qū)，根狀莖入藥，具舒筋活血、止咳化痰、祛風(fēng)止痛等功效，可用于慢性氣管炎、消化不良、腰腿疼痛、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、糖尿病、心血管等許多疾病的治療[1]?，F(xiàn)代研究表明，該藥材的主要成分為薯蕷皂苷元，具抗氧化、降血脂、抗炎和免疫調(diào)節(jié)等生物學(xué)活性[2～4]。薯蕷皂苷元是合成甾體激素類藥物的主要原料，世界上合成此類藥物多數(shù)以薯蕷皂苷元為原料[5]。穿龍薯蕷根莖中薯蕷皂苷元含量為0.93%～2.26%，但受土壤、水分、溫度、光照等環(huán)境因子的影響，藥材質(zhì)量存在差異[6,7～9]。如何提高穿龍薯蕷根狀莖的產(chǎn)量和藥材質(zhì)量具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

施肥是提高作物產(chǎn)量最直接的辦法，肥料對(duì)薯蕷屬根狀莖產(chǎn)量和薯蕷皂苷元含量的影響，國外已有較多研究報(bào)道[10,11]，國內(nèi)此類研究多集中在盾葉薯蕷(Dioscoreazingiberensis)上，已有研究表明，施肥可促進(jìn)盾葉薯蕷增產(chǎn)，可同時(shí)提高根狀莖產(chǎn)量和薯蕷皂苷元含量[12]。鉀作為植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，可促進(jìn)盾葉薯蕷植株光合作用，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)向根狀莖運(yùn)輸，提高根狀莖內(nèi)含物的積累[13]，施用鉀肥對(duì)于提高盾葉薯蕷根狀莖產(chǎn)量作用明顯[14]。鉀肥對(duì)穿龍薯蕷根狀莖產(chǎn)量和薯蕷皂苷元含量的影響尚未見報(bào)道，鑒于此，本試驗(yàn)以穿龍薯蕷植株為研究對(duì)象，研究鉀鹽對(duì)穿龍薯蕷植株生長與生理的影響，揭示穿龍薯蕷光合產(chǎn)物與薯蕷根狀莖產(chǎn)量和代謝產(chǎn)物含量之間的關(guān)系。本研究旨在為穿龍薯蕷種植提供合理施肥的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料穿龍薯蕷的種子采集于為關(guān)帝山龐泉溝自然保護(hù)區(qū)。2015年秋季采集穿龍薯蕷成熟種子，風(fēng)干，冰箱4 ℃冷藏。2017年6月底取出種子，挑選飽滿均勻的種子，室溫下蒸餾水浸種3 d。置種：澆透充滿培養(yǎng)基質(zhì)(市售育苗基質(zhì)，草炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶1∶1)的圓形塑料花盆(D=17 cm，h=16 cm)，均勻放置種子，上覆1 cm厚的培養(yǎng)基質(zhì)。2周左右出苗，幼苗生長6周后，每盆選取長勢(shì)相同的3株幼苗移栽至圓形塑料花盆中，進(jìn)行處理。試驗(yàn)時(shí)間為2017年7～11月，在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)崇實(shí)樓樹木學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

為了減弱其他營養(yǎng)元素的影響，研究以Hoagland’s營養(yǎng)液作為基礎(chǔ)，去除營養(yǎng)液配方的原有鉀鹽，分別添加不同濃度的KNO3、K2SO4、KCl，研究鉀鹽對(duì)幼苗生長和生理的影響。鉀鹽濃度分別設(shè)置為0、2、4、6、8、10 mmol·L-1[15]，共16種處理，每種處理為4盆12株幼苗，供試幼苗共64盆192株。每15 d澆施含不同鉀鹽的Hoagland’s營養(yǎng)液500 mL，對(duì)照澆施同體積的無鉀Hoagland’s營養(yǎng)液。連續(xù)處理4次后，測(cè)定穿龍薯蕷幼苗的形態(tài)和生理指標(biāo)。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

測(cè)量穿龍薯蕷植株的形態(tài)指標(biāo)：直尺測(cè)量株高，精確到0.1 cm；采用EPSON Scan掃描儀獲取葉片數(shù)字圖像，利用 Image J軟件測(cè)量葉片的葉面積和葉基角(葉脈基部夾角)[16]。

葉片生理指標(biāo)測(cè)定：可溶性糖和還原糖含量采用蒽酮比色法[17]，丙酮酸含量采用可見光分光光度法(OD=520 nm)，葡萄糖含量采用比色法[18]。

生物量測(cè)定：以基質(zhì)表面分界，區(qū)分穿龍薯蕷的地上部分(莖、葉)和地下部分(根狀莖)，80 ℃烘箱中烘24 h，分析天平稱重烘干樣品。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，采用Duncan法進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)，差異水平為0.05；采用Excel 2010進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀鹽對(duì)穿龍薯蕷幼苗生長的影響

分析不同鉀鹽類型、濃度對(duì)穿龍薯蕷形態(tài)和生物量的影響作用。由表1可知，鉀鹽類型對(duì)葉面積和葉基角影響不顯著(P>0.05)，穿龍薯蕷的株高和生物量顯著受鉀鹽類型、濃度及其交互作用的影響(P<0.05)。

進(jìn)一步分析鉀鹽類型與濃度對(duì)穿龍薯蕷幼苗各形態(tài)指標(biāo)與生物量的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，澆施不同類型鉀鹽顯著影響幼苗的生物量(P<0.05)；鉀離子濃度為6、8和10 mmol·L-1時(shí)，澆施不同類型鉀鹽對(duì)幼苗的株高、葉面積、葉基角有顯著影響(P<0.05)，其中葉面積的增幅間于12.32%～19.82%；葉基角的增幅間于7.83%～12.71%。株高、地上與地下部分生物量的增幅更大：澆施KNO3時(shí)，穿龍薯蕷的株高、地上與地下部分的生物量較對(duì)照平均增加118.80%、460%和260%；澆施K2SO4時(shí)，上述指標(biāo)平均增加99.68%、384%和157.5%；澆施KCl時(shí)，各指標(biāo)平均增加47.26%、148%和47.50%?？芍瑵彩㎏NO3對(duì)幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響最大，葉面積與葉基角的增幅是其他鉀鹽的1.5倍，株高與生物量則是其他鉀鹽的1.2～5.5倍。

表1 鉀鹽對(duì)穿龍薯蕷幼苗形態(tài)指標(biāo)影響的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis for the effects of potassium salt on morphological indexes of Dioscorea nipponica seedlings

表2 澆施不同鉀鹽的穿龍薯蕷幼苗生長差異比較Table 2 Comparison of growth differences of seedlings of Dioscorea nipponica with different potassium salts

注：大寫字母表示澆施不同類型鉀鹽對(duì)幼苗各形態(tài)指標(biāo)影響的差異水平，同列不同字母示差異顯著(P<0.05)；小寫字母表示澆施相同類型鉀鹽時(shí)，濃度變化對(duì)幼苗各形態(tài)指標(biāo)影響的差異水平，同行不同字母示差異顯著(P<0.05)。
Note：Capital letters indicate the difference in the effects of different concentrations of potassium salts on the morphological indicators of seedlings,different letters in the same column show significant differences(P<0.05);Lowercase letters indicate when the same type of potassium salt is applied,the difference level of the effect of concentration change on various morphological indexes of seedlings,Different letters in the same industry show significant differences(P<0.05).

鉀鹽濃度對(duì)穿龍薯蕷幼苗的形態(tài)指標(biāo)影響顯著(P<0.05)。施鉀處理下，株高與葉面積呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，且在8 mmol·L-1時(shí)增幅最大，分別比對(duì)照增加了181.90%、28.72%；施鉀對(duì)葉基角影響顯著，但變化規(guī)律不甚明顯；澆施6～10 mmol·L-1的鉀鹽時(shí)，穿龍薯蕷的生物量明顯增加：地上生物量增幅為40%～920%，地下生物量增幅為12.50%～562.50%；其中澆施8 mmol·L-1的KNO3，穿龍薯蕷地上與地下部分生物量的增幅最大，分別為920%、562.50%。

2.2 不同鉀鹽對(duì)穿龍薯蕷幼苗光合與代謝產(chǎn)物的影響

測(cè)定穿龍薯蕷葉片的光合產(chǎn)物(可溶性糖、還原糖與葡萄糖)及一次代謝產(chǎn)物(丙酮酸)的含量，并進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果如表3所示。可知，鉀鹽類型對(duì)葡萄糖含量影響不顯著(P>0.05)；除此之外的其他指標(biāo)均顯著受鉀鹽類型、濃度及二者交互作用的影響(P<0.01)。

進(jìn)一步分析鉀鹽類型與濃度對(duì)穿龍薯蕷葉片各生理指標(biāo)的影響，見表4。

表3 鉀鹽對(duì)光合與代謝產(chǎn)物影響的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis for the effects of potassium salt on photosynthesis and metabolites

表4 澆施不同鉀鹽的穿龍薯蕷光合與代謝產(chǎn)物含量差異比較Table 4 Comparison of photosynthetic and metabolite contents in Dioscorea nipponica with different potassium salts

澆施鉀鹽時(shí)，穿龍薯蕷葉片的上述生理指標(biāo)顯著增加(P<0.05)：可溶性糖含量較對(duì)照增加42.39%～229.35%；澆施2 mmol·L-1的K2SO4時(shí)，還原糖含量無顯著變化，其余配比下其含量增加50%～650%；澆施2 mmol·L-1的KCl時(shí)，葡萄糖含量與對(duì)照接近，其余配比下其含量增加61.22%～242.00%；澆施2 mmol·L-1、10 mmol·L-1的K2SO4與2 mmol·L-1的KCl時(shí)，丙酮酸含量接近對(duì)照，其余配比下增幅為50%～800%。由上可知，澆施KNO3時(shí)，可溶性糖、還原糖、葡萄糖和丙酮酸含量最大，與對(duì)照相比，其增幅分別為229.35%、650%、242.00%和800%。

鉀鹽濃度對(duì)穿龍薯蕷葉片的可溶性糖、還原糖、葡萄糖和丙酮酸含量存在顯著影響(P<0.05)：隨著鉀鹽濃度升高，各指標(biāo)的含量表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)。鉀鹽濃度為6 mmol·L-1和8 mmol·L-1時(shí)，上述生理指標(biāo)增幅最大：6 mmol·L-1水平下，澆施KCl的作用優(yōu)于其余兩種鉀鹽；8 mmol·L-1水平下，KNO3對(duì)葉片可溶性糖、丙酮酸及還原糖含量的影響大于K2SO4和KCl，且增幅最大；澆施8 mmol·L-1的K2SO4時(shí)，葡萄糖含量增幅最大，優(yōu)于其余鉀鹽。由此可見，穿龍薯蕷葉片光合及代謝產(chǎn)物含量的最適鉀離子濃度范圍為6～8 mmol·L-1。

2.3 穿龍薯蕷幼苗形態(tài)和產(chǎn)物含量的相關(guān)性分析

對(duì)穿龍薯蕷幼苗生長和生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，如表5所示?？芍瑵彩┤N鉀鹽時(shí)，幼苗的株高、葉面積、生物量等形態(tài)指標(biāo)與可溶性糖、還原糖、葡萄糖糖、丙酮酸等生理指標(biāo)之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。澆施KNO3時(shí)，葉基角與還原糖及生物量顯著正相關(guān)(P<0.05)，與其余指標(biāo)相關(guān)性不明顯；澆施K2SO4時(shí)，葉基角與各指標(biāo)均顯著正相關(guān)(P<0.05)；澆施KCl時(shí)，葉基角與葉面積及丙酮酸相關(guān)性較弱，與其余指標(biāo)均顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表5 穿龍薯蕷幼苗形態(tài)與生理指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between the morphology and physiological indexes of Dioscorea nipponica seedlings

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。
Note:**indicates the significant correlation at the level of 0.01；*indicates the significant correlation at the level of 0.05.

3 結(jié)論與討論

3.1 澆施鉀鹽對(duì)穿龍薯蕷幼苗形態(tài)與生理的影響

鉀元素可顯著提高農(nóng)作物的抗性和品質(zhì)[19]，KNO3、K2SO4和KCl是薯蕷類肥料研究常用的三種鉀肥。有研究表明，施鉀能促進(jìn)黃山藥(Dioscoreapanthaica)和三角葉薯蕷(Dioscoreadeltoidea)地上部分生長旺盛，有利于根狀莖干物質(zhì)的積累[20～22]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用KNO3、K2SO4和KCl均能促進(jìn)穿龍薯蕷幼苗生長，使其生物量增加，與已有研究結(jié)果一致。鉀鹽處理番茄(Lycopersiconesculentum)幼苗，其株高和葉面積隨鉀鹽濃度升高而增加，但鉀鹽濃度過高時(shí)，幼苗生長勢(shì)降低[23]。本試驗(yàn)中，穿龍薯蕷幼苗施用鉀鹽的生長規(guī)律同番茄幼苗一致，即增施適量(6～8 mmol·L-1)鉀鹽(KNO3、K2SO4和KCl)利于穿龍薯蕷生長；鉀鹽濃度過大，不利于植株生長。

鉀元素在維持植物細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)正常代謝、促進(jìn)光合作用、光合產(chǎn)物運(yùn)輸及蛋白質(zhì)合成等生理生化方面發(fā)揮著重要作用[24～26]。植物缺鉀容易導(dǎo)致葉片內(nèi)糖含量減少[27]，鉀通過促進(jìn)植物光合作用，間接提高可溶性糖、還原糖和葡萄糖的含量。不同鉀鹽由于組成成分的差異，也對(duì)植物的生理及其產(chǎn)物產(chǎn)生不同影響。本試驗(yàn)中，澆施8 mmol·L-1KNO3時(shí)，穿龍薯蕷葉片的三種糖和丙酮酸的含量高于其他處理，究其原因，可能在于氮是植物生長所需的大量元素，營養(yǎng)液配方中的氮含量僅能保證植物正常生長；澆施KNO3，富足的氮量可提高穿龍薯蕷對(duì)鉀元素的利用率，葉片光合速率增加，代謝產(chǎn)物合成加速；相應(yīng)地，葉片的可溶性糖、還原糖及葡萄糖含量增加。糖類在葉片源器官中積累達(dá)到一定程度，即向根部庫器官運(yùn)輸，進(jìn)而增加穿龍薯蕷根狀莖的產(chǎn)量。綜述，澆施8 mmol·L-1的KNO3，對(duì)穿龍薯蕷根狀莖產(chǎn)量的促進(jìn)作用優(yōu)于其他處理。

3.2 穿龍薯蕷幼苗形態(tài)與生理的關(guān)系

我國薯蕷屬植物分布區(qū)域廣泛，種類豐富，穿龍薯蕷長期生長于條件復(fù)雜多樣的自然生境里，土壤養(yǎng)分不同，形成了形態(tài)多樣、特性各異的多種生態(tài)型。葉對(duì)生態(tài)條件反應(yīng)十分敏感，葉的厚薄、大小、長寬比、形狀、葉緣、葉尖、葉基等均存在差異[28]。而穿龍薯蕷豐富的形態(tài)多樣性于該種種質(zhì)資源的開發(fā)和利用具有十分重要的意義。

為了進(jìn)行穿龍薯蕷種質(zhì)資源的形態(tài)初篩，本文分析了穿龍薯蕷幼苗形態(tài)與葉片光合與代謝產(chǎn)物含量之間的關(guān)系。葉片是對(duì)鉀鹽感受最敏感的器官，澆施鉀鹽，一定程度上促進(jìn)了薯蕷植株的光合作用[14]，利于幼苗積累更多干物質(zhì)，增大生物量。本研究表明，穿龍薯蕷的株高、葉面積、地上與地下生物量與葉片的可溶性糖、還原糖、葡萄糖與丙酮酸的含量極顯著正相關(guān)，即植株生長越旺盛，葉片的光合產(chǎn)物及代謝產(chǎn)物含量越高。說明株高和葉面積可用作穿龍薯蕷種質(zhì)資源篩選時(shí)首選的形態(tài)指標(biāo)。

糖類是植物光合產(chǎn)物之一，可溶性糖是葉片光合產(chǎn)物向植物不同器官輸送的主要有機(jī)物形式，葉片中糖類含量的高低在一定程度上反映了源器官對(duì)庫器官的供應(yīng)能力。還原糖是指可被氧化充當(dāng)還原劑的糖。葡萄糖是光合和代謝作用的產(chǎn)物。丙酮酸存在于植物一次代謝過程，是甲羥戊酸(MVA)途徑中的產(chǎn)物，植物合成薯蕷皂苷元的前體物質(zhì)[29～32]。本研究表明，增施鉀肥時(shí)丙酮酸含量增加，就此推測(cè)施用鉀肥可能對(duì)提高薯蕷皂苷元含量有一定影響，具體關(guān)系有待下一步研究。